玉米是全球重要的粮食、饲料和工业原料作物。CRISPR/Cas12i3作为我国自主研发的新一代基因编辑系统，展现出广阔的应用前景。其中，Cas-SF01作为Cas12i3的工程化变体，已被应用于多种作物，但在玉米中的潜力尚未被完全发掘。
近日，北京市农林科学院赵久然研究员团队在JIPB发表了题为“Optimized Cas-SF01 gene-editing toolbox shortens flowering timing in commercial maize inbred JING724”的研究论文。该研究通过优化靶点（spacer）长度、表达温度、crRNA表达盒，并结合C端融合表达核酸外切酶TREX2策略，成功在玉米中建立了高效的国产Cas-SF01基因编辑技术体系，进一步利用该系统成功创制了早熟稳产的玉米骨干自交系京724优新种质。
为了在玉米中建立高效的Cas-SF01基因编辑系统，研究团队首先在原生质体中进行了初步探索，发现标准配置（23 bp spacer）的编辑效率较低。团队从四个维度对该系统进行了全面优化：（1）将spacer长度缩短至20 bp，编辑效率提升了1.7-4.89倍；（2）28℃条件下的编辑效率比22℃提升3-22倍；（3）采用tRNA-crRNA-HDV表达结构显著提升了效率；（4）在稳定遗传转化体系中，将TREX2融合在Cas-SF01的C端展现出压倒性的优势，单靶点编辑效率高达10.81%–86.96%，且产生了极高比例的双等位/纯合突变体（高达55%），几乎无嵌合体。该策略在多靶点编辑中同样表现出优异的性能。
京724是本单位自主创新选育的骨干亲本自交系，作为全国主推玉米品种京科968母本，在实际生产中亟需加速开花并缩短散粉-吐丝间隔期（ASI），以确保稳定的结实率和产量。研究团队利用最优的Strategy 4（tRNA-crRNA-HDV//Cas-SF01-TREX2）工具箱，靶向编辑调控光周期的关键基因ZmCCT。针对外显子、5'-UTR和启动子三个不同区域进行了精准编辑。结果证明，靶向编码区（#1, #2）和启动子区（#5, #6）的突变体，其散粉期显著提前了3-7天，吐丝期提前了3-9天。部分突变体（#1, #2）的散粉-吐丝间隔期（ASI）显著缩短，有利于授粉结实。与野生型京724相比，突变体在花粉活力、株高、穗长以及百粒重等关键农艺和产量性状上均无显著差异。
该研究优化了Cas-SF01基因编辑工具，并将其成功应用于玉米骨干自交系的改良，系统阐明瞬时表达系统（原生质体）与稳定遗传转化系统在工具评估中的差异，创新提出了“两步法”验证流程的重要性，显著提升了基因编辑技术体系评估的准确性。基于团队前期在玉米骨干亲本自交系遗传转化技术的突破，本研究构建的高效编辑效率和低嵌合突变的国产多靶点基因编辑平台，进一步建立了玉米商业化骨干亲本系统化、工程化国产基因编辑生物育种技术体系，为我国骨干亲本玉米种质的精准改良提供了高效工具，加速突破性新品种的培育进程，形成从基因编辑到品种创制的“流水线”技术体系，推动玉米育种向精准化、高效化发展，为粮食安全提供技术支撑。
北京市农林科学院玉米研究所在站博士后刘梦媛、王瑶、张璐为本文共同第一作者。北京市农林科学院玉米研究所赵久然研究员、王荣焕研究员和刘亚研究员为本文共同通讯作者。团队成员张翔、刘新香、付月、李晓旭、付月和宋子恒也参与了该研究。特别感谢南方科技大学朱健康院士和中国农业大学赖锦盛教授为本研究提供Cas-SF01基因编辑技术指导。该研究得到了北京学者计划、北京市博士后科研基金、北京市自然科学基金及北京市农林科学院青年科研基金等项目的资助。
